嵌段聚合物作为介电弹性体的应用
【技术领域】
[0001] 本发明设及介电弹性体的领域，具体设及一种嵌段聚合物作为介电弹性体的应 用。
【背景技术】
[0002] 介电弹性体值ielectricElastomer,呢）是一类能够在外加电场作用下产生巨大 形变的聚合物材料，具有能量密度高、响应速度快、能量转化效率高、工作噪音低等诸多优 点，被广泛应用在人造肌肉、微型机器人、能量收集器、传感器、微流体控制、盲文显示装置 等多个方面，在仿生机器人、绿色能源、医学、航空航天等多个领域具有广阔的发展前景。
[0003] 介电弹性体的工作原理是利用绝缘弹性体在电场中受到沿厚度方向的麦克斯韦 力而发生形变，从而将电能转化为机械能。介电弹性体驱动器是在介电弹性体薄膜的两侧 分别覆盖一层柔性电极，在外在电场的作用下使介电弹性体薄膜厚度减小，面积增大，形变 的大小和速度直接影响着介电弹性体的工作性能。
[0004] 在W往的研究中发现，传统的介电弹性体（3M公司的V皿系列产品、娃橡胶 等），在一些性能指标上与实际应用存在一定差距。V皿系列产品是人类发现的第一种能 够实现大变形（>100%)的介电弹性体，然而其形变能力随着工作频率的增加急剧下降 (巧％，50化），娃橡胶类材料的工作频率较高，但是其介电常数和弹性模量都很低，工作输 出的功率密度比较低。运些性能的提升都受到材料本身结构上的限制：WV皿为代表的介 电聚合物材料，模量较低，但是粘弹性普遍较大，工作过程中能量损失较大，也很难满足高 频率工作状态和高功率密度输出的要求。
[0005] 文南犬ElectroactiveNanostructuredPolymersasTunableActuators和 TriblockCopolymerOrganogelsasHigh-PerformanceDielectricElastomers中提 出了采用沈BS(poly[styrene-b-(ethylene-c0-but}dene)-b-styrene])S嵌段聚合物， 利用Sonneborn公司生产的MO(mineraloil，estimatedtobeaboutTO%paraffinic and30%naphthenic)选择性溶胀中间邸段，同时需要双轴预拉伸300%，来达到面积形 变>200 %，但需要较高电压20V/um，且能量密度低，击穿场强低，杨氏模量低。通过改变MO 和沈BS的组成，实现沈BS有机凝胶的电驱动性能可调。文献Prestrain-FreeDielectric ElastomersBasedonAcrylicThermoplasticElastomerGels:AMorphological and(Electro)MechanicalPropertySl:udy中提出 了采用MBM(PMMA-PBA-PMMA)S嵌段聚合 物，利用FisherScientifi公司生产的DOP(dioct}d地地曰1曰*6,98%purity)选择性溶胀 中间段BA,在不需要预拉伸的情况下，电场强度20KV/mm，得到面积形变>100 %，能量密度 达到50kJ/m3,机电禪合效率达到80 %，远超人体肌肉的指标。（人体肌肉最大面积形变可 MO%，能量密度达到40kJ/m3,禪合效率最大可达40 %。）
[0006] 上述两种=嵌段聚合物介电弹性体都需要添加有机溶剂而形成凝胶后使用，不易 进行加工，运一点很大程度制约了介电弹性体的应用，存在着环境污染，使用寿命短，运输 成本大，储存成本高等缺点。
【发明内容】
[0007] 本发明提供了一种嵌段共聚物，无需溶剂溶胀，即可在高频驱动下具有较大形变， 且功率密度较高，可W用作介电弹性体材料。
[0008] 一种嵌段聚合物作为介电弹性体的应用，所述嵌段聚合物的结构通式为B-C-D;
[0009] 其中，B和D独立地选自苯乙締均聚物或甲基丙締酸甲醋均聚物；C选自丙締酸下 醋均聚物、丙締酸正下醋均聚物、甲基丙締酸正下醋均聚物、甲基丙締酸异下醋均聚物、丙 締酸叔下醋均聚物、丙締酸-2-乙基已醋均聚物、丙締酸异辛醋均聚物、丙締酸乙醋均聚物 或丙締酸下醋、丙締酸正下醋、甲基丙締酸正下醋、甲基丙締酸异下醋、丙締酸叔下醋、丙締 酸-2-乙基已醋、丙締酸异辛醋、丙締酸乙醋中至少两种的共聚物。
[0010] 作为优选，所述嵌段聚合物的总分子量为7~33万，B链段的数均分子量为1~3 万；C链段的分子量为5~27万；D链段的分子量为1~3万。
[0011] 作为优选，所述嵌段聚合物中，C链段的重量百分比>70%。
[0012] 进一步优选，所述的B为苯乙締均聚物，C选自丙締酸下醋均聚物、丙締酸正下醋 均聚物、甲基丙締酸正下醋均聚物、甲基丙締酸异下醋均聚物、丙締酸叔下醋均聚物、丙締 酸-2-乙基已醋均聚物、丙締酸异辛醋均聚物或丙締酸乙醋均聚物，D选自苯乙締均聚物或 甲基丙締酸甲醋均聚物。
[0013] 上述嵌段聚合物的制备方法可W参考公开号为CN101955555A的中国专利文献 中的制备方法。
[0014] 将该嵌段共聚物与四氨巧喃混合，配置成5~10%的溶液，20~80°C下经挥发成 膜后，再经120°C的退火处理，得到新型介电弹性体薄膜。
[0015] 观察薄膜表面形态，使用厚度仪对薄膜厚度进行测量，W没有气泡，厚度均一，表 面光滑为标准，得到符合要求的新型介电弹性体薄膜。
[0016] 作为优选，W所述的嵌段聚合物为原料制备介电弹性体薄膜，在介电弹性体薄膜 两侧分别涂覆导电碳膏作为电极，经后处理得到介电驱动器。
[0017] 具体过程为：
[0018] 圆形驱动器制作方法为等双轴300%X300%预拉伸，固定在圆环框架上，具体实 施方法为：利用激光切割机切出待拉伸薄膜，置于双轴拉伸机上，用夹具固定好后，将薄膜 拉伸至原来的300%X300%。
[0019] W厚Imm的ABS板为原料，使用激光切割机切出圆环框架，框架内径为60mm，外径 为80mm，在预拉伸好的薄膜上下两面各覆盖一层圆环框架，并使上下两个框架完全对齐，适 当用力充分压紧薄膜后用剪刀将制好的圆环框架薄膜取下。
[0020] W表面光滑的油性纸为原料，在激光切割机上切出涂覆电极的掩膜，掩膜结构具 体为：内径15mm，外径60mm，导线部位宽1. 5mm，将两张掩膜分别覆盖于制好的圆环框架薄 膜的两个表面，使内圆对齐，导线之间夹角为180°，取石墨碳膏，用滚轮分别在两面的掩膜 上均匀涂上一层石墨电极。
[0021] 将制好的圆环驱动器接在TREK?610E电压放大器上，使用函数发生器输出不同频 率和电压值，对驱动器进行驱动，采取Kenyene高速摄像机进行录像，采用化otoshop软件 对不同参数下的电致形变进行分析，得出新型介电弹性体的力电驱动曲线和不同频率下 驱动形变的响应。
[0022] 本发明公开了一种介电驱动器，包括上电极、介电弹性体薄膜和下电极，所述的介 电弹性体薄膜由上述的嵌段聚合物制备得到。
[0023] 作为优选，所述的嵌段聚合物为聚（苯乙締-b-丙締酸正下醋-b-苯乙締）S嵌 段共聚物、聚（苯乙締-b-丙締酸乙醋-b-苯乙締嵌段共聚物、聚（苯乙締-b-丙締酸 异辛醋-b-苯乙締）S嵌段共聚物或聚（苯乙締-b-丙締酸正下醋-b-甲基丙締酸甲醋） =嵌段共聚物。
[0024] 进一步优选，所述嵌段聚合物的总分子量为12~30万，B链段的数均分子量为 1. 5~3万；C链段的分子量为9~24万；D链段的分子量为1. 5~3万。
[00巧]再优选，所述嵌段聚合物中，C链段的重量百分比>70% ;更优选为80~85%。 [00%] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0027] 本发明的嵌段型聚合物，可在不使用有机溶剂进行溶胀的情况下产生较大电致形 变，清洁环保；
[0028] 本发明的嵌段聚合物，电致形变性能优异，响应快，噪音小，功率密度高，工作频率 范围宽，工作溫度范围广